基于钙镁盐的底泥高效脱水固化方案

袁立群，陈 俭，林 璇，武博然，赵风斌

（1.深圳市市政工程总公司，广东深圳 518033；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

水泥系固化剂（水泥、石灰、石膏及其他钙镁盐、钙镁氧化物）由于其低廉的价格、较强的黏结能力以及水化反应产生碱度对重金属等无机污染物浸出毒性的降低作用而成为目前较为主流的剩余污泥、疏浚底泥固化剂。由白云石高温煅烧制成的固化剂（M1）主要成分为CaO和MgO，其固化效果主要是由CaO的水化反应生成Ca（OH）2，产生大量热促进水分挥发，实现底泥干化；由于Ca（OH）2巨大的比表面积而对底泥颗粒加以吸附，进而形成对于底泥颗粒的团粒化作用，增强底泥颗粒间相互摩擦力，提高底泥抗剪切强度[1]。其次，当Ca（OH）2团粒化作用完成后剩余游离Ca2+还会与底泥SiO2发生火山灰反应，生成3CaO·SiO2·3H2O，更加有效地实现了底泥固化稳定化[2]。因此本文选取M1固化剂与工程应用中最为常见的有机调理剂聚丙烯酰胺（PAM）进行复配，分析无机固化剂与有机调理剂复配时的底泥脱水固化效果，以无侧限抗压强度为衡量指标，同时兼顾固化底泥液限、塑性指数测定结果，建立底泥固化改性最优药剂投加方案。

1 材料与方法

1.1 底泥采集

底泥采集于浙江省嘉兴市某待疏浚河道，采样点位河流交汇点及污染物排放口下游500～1 000m处，采样深度为水固相界面以下0～60cm。采集的底泥样品需避光保存于4℃冰箱中，其基本性质如表1所示。

表1 底泥基本性质

1.2 试验方法

M1固化剂由白云石高温煅烧制成，主要成分为CaO和MgO。由于本文试验用疏浚底泥矿物组成中黏土矿物主要以高岭石为主，底泥亲水性较差，因此选择有机调理剂聚丙烯酰胺（PAM）增强底泥颗粒对水分子的结合能力。将M1固化剂（投加量为底泥湿基质量的0.2%、0.6%和1%）与PAM（投加量为底泥湿基质量的0.1%、0.2%和0.3%）投加至含水率90%疏浚底泥，充分搅拌后于5 000r/min条件下离心10min，弃去上清液，收集脱水后底泥，自然风干3-5h后，装入高70mm，截面直径35mm的塑料管模中制得圆柱形待测试样，24h后脱模，于室温下继续养护（养护时间为3d、8.5d和14d），然后测定试样无侧限抗压强度和塑性指数。

1.3 主要分析方法

固化底泥试样无侧限抗压强度、液限、塑限与塑性指数测定遵循《土工试验规程》（SL 237—1999）[3]。

2 结果与分析

采用Design-Expert8.05软件进行响应面试验设计，M1投加量、PAM投加量、养护龄期三因子水平选取及试验结果如表2所示。结果显示，经M1固化剂与PAM调理剂处理后的底泥其无侧线抗压强度均≥50kPa，88%处理方式的塑性指数在15～20，可满足《公路路基设计规范》（JTGD 30—2004）路基填充土相关技术指标要求[4]。

表2 响应面试验三因子水平选取及试验结果

由图1（a）可知，M1固化剂主要成分为CaCO3、CaO、MgO，Mg（OH）2。CaCO3可实现底泥孔隙填充，CaO水化反应产物及 Ca（OH）2所具有的巨大比表面积使之具备较强的底泥颗粒团粒化作用，凝聚底泥颗粒的同时促进游离Ca2+与底泥颗粒表面吸附Na+、K+的离子交换作用，中和底泥颗粒表面电性，利于Ca2+与底泥中SiO2组分的火山灰反应，形成致密的微观结构，强化底泥脱水固化效果。由图1（b）可知，M1固化后底泥有大量5CaO·3SiO2·2H2O生成，这证实了Ca2+与SiO2组分的火山灰反应，其次固化后底泥MgSiO3、CaSiO4·1/2H2O组分的生成则交叉填充于底泥间隙，提高固化体内聚力，有利于抗压强度的形成。而PAM的加入可增强底泥颗粒的亲水性能，提高底泥塑性指数，其可能的机理是PAM长链分子中的-NH2可通过氢键作用吸附极性水分子，同时有机高分子通过分子间作用力吸附底泥颗粒，以上两种作用综合使底泥颗粒发生团聚，且团聚体与水分子的亲和能力较分散于水中的细小底泥颗粒有所增强，进而提高底泥塑性指数。

图1 X射线衍射图谱

图2显示了养护龄期8.5d时M1固化剂和PAM投加量对固化底泥无侧限抗压强度的影响，无侧限抗压强度随M1、PAM投加量增多而增大，固化剂投加量愈多，水化产物产生量愈大，愈有利于强度形成，PAM投加则有助于底泥凝聚，增强底泥颗粒间机械作用力，增加底泥抗剪切能力。

图2 M1投加量和PAM投加量对固化底泥无侧限抗压强度影响的响应曲面

图3显示了PAM投加量0.2%时M1固化剂投加量和养护龄期对固化底泥无侧限抗压强度的影响，无侧限抗压强度随M1投加量增多、养护龄期延长而增大，养护龄期延长有助于水化反应的充分进行，促进钙矾石晶体的形成，对底泥颗粒产生包被抱箍作用，同时纤维状晶体填充底泥颗粒间隙，有利于底泥力学强度的形成。

图3 M1投加量和养护龄期对固化底泥无侧限抗压强度影响的响应曲面

图4显示了M1投加量0.6%时PAM投加量和养护龄期对固化底泥无侧限抗压强度的影响，无侧限抗压强度随PAM投加量增多、养护龄期延长而增大，说明PAM底泥颗粒凝聚效应随时间推移能够保持较好的稳定性。

图4 PAM投加量和养护龄期对固化底泥无侧限抗压强度影响的响应曲面

Design-Expert8.05软件根据底泥无侧限抗压强度随M1、PAM、养护龄期变化趋势所预测的最佳工艺条件如表3所示，液限、塑性指数实际测定结果说明该工艺条件满足路基回填对于固化底泥持水性能的相应要求。

表3 疏浚底泥固化改性最佳工艺条件

3 结论

本研究将M1固化剂与有机调理剂PAM进行复配，处理后的底泥无侧限抗压强度与塑性指数均可满足路基回填土的相关性能要求；复配试剂最佳工艺条件为M1投加量1.0wt%，PAM投加量0.3wt%，养护龄期3d，无侧限抗压强度预测值238kPa。